李超,朱陵鳳,張益青,李騰

(北京衛(wèi)星導航中心,北京100094)

北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)用戶終端測試系統(tǒng)性能檢核方法

李超,朱陵鳳,張益青,李騰

(北京衛(wèi)星導航中心,北京100094)

為解決不同型號北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)用戶終端測試系統(tǒng)間測試結果差異問題,本文提出了利用檢核接收機技術的測試系統(tǒng)性能檢核方法。根據測試系統(tǒng)檢核需求,明確了檢核接收機應具備的功能,深入分析了檢核接收機關鍵技術指標要求,給出了相應解決途徑、整機設計方案及具體檢核方法。基于檢核接收機的測試系統(tǒng)性能檢核方法,能及時檢測測試系統(tǒng)狀態(tài),保證測量結果的準確可靠;同時便于統(tǒng)一不同測試系統(tǒng)間評判方法,保證了終端檢測結果的一致性。

用戶終端;測試系統(tǒng);檢核

0 引 言

北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)可以為用戶提供定位、導航、授時及短報文通信服務。自2012年12月系統(tǒng)空間信號接口控制文件正式版公布,北斗導航業(yè)務正式對亞太地區(qū)提供PNT服務。2014年11月國際海事組織海上安全委員會通過了對北斗局域衛(wèi)星導航系統(tǒng)認可的航行安全通函,取得面向海事應用的國際合法地位。隨著其廣泛使用和推廣,北斗區(qū)域用戶終端的質量保證系統(tǒng)建設也越來越重要。要提高用戶終端的質量,就需要對其進行客觀準確的測試,及時發(fā)現(xiàn)用戶終端存在的問題,將問題消滅在使用前[1-3]。要實現(xiàn)上述目的,就需要提高用戶終端測試系統(tǒng)的性能,對測試系統(tǒng)性能指標進行準確測量和實時監(jiān)測。

北斗區(qū)域用戶終端測試系統(tǒng)是裝備管理部門和生產廠家對產品檢測的必要手段[4-5]。但目前各用戶終端生產廠家和檢測認證部門采用了不同廠家研制的測試系統(tǒng),在測試項目設置、測試流程控制、評估方法和評判準則等方面不盡相同,因此需要針對不同廠商研制的測試系統(tǒng)進行功能和性能進行檢核。通過檢核實現(xiàn)向上級測量標準的溯源,提高測試系統(tǒng)的測量精度,實現(xiàn)與國家級測試標準統(tǒng)一,建立相互驗證的檢測體系,促進衛(wèi)星導航應用產業(yè)的健康發(fā)展[6-7]。

1 檢核接收機的設計與實現(xiàn)

1.1 需求分析

檢核接收機作為測試系統(tǒng)功能及性能檢驗的關鍵測試設備,從實際應用的角度檢驗整個測試系統(tǒng)的可用性,因此,檢核接收機能夠接收所有衛(wèi)星導航頻率,能對系統(tǒng)的定位、通信及測速等基本的功能和導航、定位模式進行充分評估。通過對比、檢測測試結果,還能在一定程度上監(jiān)控測試系統(tǒng)的運行情況,為保證系統(tǒng)的可用性提供支持。同時作為標準傳遞設備,要求檢核接收機要有很高的集成度,在有限的空間里集成具有多種功能的模塊,實現(xiàn)功耗低,體積小,結構緊湊,便于操作及測試等特點。

1.2 關鍵技術分析與解決

檢核接收機要實現(xiàn)對測試系統(tǒng)性能指標的全面驗證,必須具有高動態(tài)信號處理功能。與中、低動態(tài)環(huán)境相比,高動態(tài)使RNSS載波信號產生較大的多普勒頻移,若使普通接收機的載波鎖相環(huán)PLL(常用costas環(huán))能夠保持鎖定,就必須增加環(huán)路濾波器的帶寬。這樣就會使更多的噪聲引入,當噪聲電平增大到超過環(huán)路門限時就會致使載波跟蹤環(huán)失鎖,同時丟失距離和距離變化率的估計值;若不增加載波鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬,則載波多普勒頻移常常會超過鎖相環(huán)的捕獲帶,這樣也不能保證對載波的可靠捕獲和跟蹤。同時載波跟蹤失鎖也使衛(wèi)星調制數據無法恢復,相應的衛(wèi)星星歷無法獲取。

為了適應高動態(tài)環(huán)境并保證具有較好的跟蹤精度,對載波的跟蹤應采用AFC+鎖相環(huán)方案。AFC環(huán)負責對較大頻偏進行跟蹤校正,當頻偏較小時,啟動costas環(huán),對載波相位進行精跟,該算法可以將載波頻率誤差由500 Hz降至10 Hz以下。隨后,啟動判決反饋型叉乘式鑒頻器算法,進一步降低至鎖相環(huán)的快捕帶。最后,啟動相位跟蹤算法,完成整個載波頻率相位的跟蹤。載波相位環(huán)采用二象限反正切算法,該算法在高信噪比和低信噪比條件下都具有最佳檢測性能。相比于其他的PSK相位跟蹤算法,該種算法具有線性度高、跟蹤范圍大等特點,是一種最大似然估計算法。圖1和圖2分別是相位跟蹤環(huán)和頻率跟蹤環(huán)原理框圖。

1.3 設計實現(xiàn)

檢核接收機設計由RDSS(Radio Determination Satellite Service)天線、RNSS天線、終端機和主控機組成。主控機為一臺PC機,是檢核接收機主應用處理軟件的運行平臺。終端機是檢核接收機的核心,主要完成信號處理、信息處理和信息匯總。終端機各個模塊功能相對獨立,可以劃分為RDSS射頻模塊、RNSS射頻模塊、RDSS信號處理模塊、RNSS信號處理模塊、應用處理模塊、電源模塊和時鐘模塊。如圖3所示。

圖1 相位跟蹤環(huán)原理框圖

圖2 頻率跟蹤環(huán)原理框圖

圖3 檢核接收機基本組成示意圖

天線單元主要完成導航信號的采集和入站信號的發(fā)射,采用定向天線。接收處理終端由信號處理板卡(包括RNSS處理模塊和RDSS處理模塊)、應用處理模塊、時鐘模塊、電源模塊等組成。信號處理板卡主要完成經天線采集下來導航信號的處理、信息處理和信息匯總和數據傳輸,以及在應用處理模塊的控制下完成RDSS入站信號的發(fā)射。應用處理模塊為運行在零槽控制器的軟件,是檢核接收機應用處理軟件的運行平臺,應用處理機通過標準RS232串口或TCP/IP協(xié)議和控制臺交互信息。

1.4 檢核原理

檢核接收機可對信號電平、偽距、測試場景、電文等正確性進行驗證,確保系統(tǒng)播發(fā)信號的正確性。檢核接收機同時還能夠代替普通用戶終端實現(xiàn)對用戶終端測試系統(tǒng)進行測試流程、接口等正確性的驗證,達到對測試系統(tǒng)的性能檢核。檢核接收機接口關系如圖4所示。

圖4 檢核接收機接口關系圖

在性能檢核工作模式下,檢核接收機接收導航信號模擬器播發(fā)的RNSS/RDSS導航信號,對導航信號的捕獲、跟蹤、解擴、解調、譯碼等,實現(xiàn)定位與測速功能,并將定位、測速以及導航電文、觀測偽距、多普勒等測量信息送測試系統(tǒng)的測試控制與評估分系統(tǒng),與導航信號模擬器實際播發(fā)的信號進行比對評估。

在用戶終端工作模式下,檢核接收機代替一般用戶設備進行測試流程的驗證,包括RNSS的定位、測速、首次捕獲、失鎖重捕等功能的測試驗證,以及RDSS的定位、通信、位置報告、指揮型用戶機兼收功能等流程的測試驗證等。

在RDSS入站信號校準模式下,檢核接收機內入站信號產生模塊產生標準的入站信號,實現(xiàn)對用戶終端測試系統(tǒng)中入站接收機功率、頻率、時延等關鍵技術指標的校準。

2 性能檢核工作模式

檢核接收機的性能檢核工作模式主要用以完成測試系統(tǒng)狀態(tài)的實時在線監(jiān)測,保證系統(tǒng)正常運行,測試評估結果真實可信。作為測試系統(tǒng)運行的一種可靠性保障手段,檢核接收機實現(xiàn)了測試系統(tǒng)出站信號的閉環(huán)檢驗,便于試驗結果分析及問題定位的排查,其主要通過以下手段實現(xiàn)對系統(tǒng)性能進行檢核。

1) 導航電文驗證

通過檢核接收機可以解調出原始數據,進而獲得導航電文,同時對各通道的導航電文進行存儲,并且對導航電文進行時間標記,測量幀長度,記錄幀時間,送給信息處理模塊進行統(tǒng)計,從而在界面上顯示相應幀的播發(fā)時間、播發(fā)周期和導航電文內容等。

2) 定位性能驗證

檢核接收機可選擇多種定位方式、定位模式,通過接收測試系統(tǒng)播發(fā)的出站導航仿真信號,并對其進行解析,實現(xiàn)對位置和速度的解算,并能夠對位置和速度解算結果進行有效性判斷,將獲得定位及速度信息與測試系統(tǒng)測試控制與評估軟件送來的定位及速度信息進行比對驗證。

3) 信號正確性驗證

檢核接收機測試系統(tǒng)播發(fā)的導航出站信號,實現(xiàn)對導航星座、觀測量、可視衛(wèi)星數、測試場景、用戶軌跡、導航電文、仿真誤差等信息進行解析,并通過與測試控制與評估發(fā)送的相關信息進行比對驗證,實現(xiàn)對測試系統(tǒng)出站導航信號正確性驗證評估。

4) 數據存儲管理與分析驗證

檢核接收機具有數據存儲管理與分析驗證功能,可存儲原始觀測量、原始電文數據、定位處理結果、完好性處理結果、告警提示等各類原始信息和結果信息,可根據選定的時間、類型對存儲數據進行查詢分析,可對歷史數據按實際處理模式進行后處理回放分析,有利于對用戶終端測試過程中出現(xiàn)問題的分析排查。

3 用戶終端工作模式

檢核接收機的用戶終端工作模式是指其完全模擬全功能的北斗用戶終端,用以對用戶終端測試系統(tǒng)的測試流程、評估正確性、RDSS入站信號指標等性能驗證與檢核。

1) 測試流程驗證

檢核接收機支持北斗用戶設備測試數據接口協(xié)議,能夠在測試系統(tǒng)測試控制與評估軟件的控制下,按照各種測試項目的測試流程完成相應項目的測試,此時檢核接收機除能夠按照正常測試流程進行測試外,還能夠模擬常見的異?，F(xiàn)象,如功率檢測超時、指令響應超時、測試數據中斷等,達到對測試系統(tǒng)測試流程驗證目的。

2) 評估正確性驗證

在測試系統(tǒng)的測試項目過程中,檢核接收機在測試控制與評估分系統(tǒng)的控制下,向測試系統(tǒng)上報接收到的出站數據及其它觀測量信息;并在測試系統(tǒng)測試控制與評估分系統(tǒng)的控制下發(fā)送RDSS入站信號,測試控制與評估分系統(tǒng)將播發(fā)的原始數據與檢核接收機上報的數據進行比對,即可實現(xiàn)測試結果的評估。此時檢核接收機能夠模擬導航電文誤碼數據、定位/測速/測距超差數據、各種類型的入站信息等,實現(xiàn)對測試系統(tǒng)測試評估正確性的驗證。

4 RDSS入站信號校準模式

在北斗區(qū)域用戶終端測試系統(tǒng)中,導航信號模擬器的功率、頻率、時延等技術指標均可通過標準測試儀器進行測試,實現(xiàn)對導航信號模擬模擬器的計量和校準。而入站接收機負責接收RDSS用戶機發(fā)射的短突發(fā)擴頻入站信號[8],無法直接通過標準儀器獲得相關的校準信息[9],只能通過引入可校準的標準入站信號從而獲得入站接收機的校準數據。

檢核接收機內的入站信號產生部分,除可配合RDSS用戶設備進行相關性能驗證外,還可接收上位機的控制,產生系統(tǒng)校準的標準入站信號。檢核接收機內的RDSS入站信號模塊組成示意如圖5所示。

圖5 RDSS入站信號產生部分組成示意圖

首先,檢核接收機的時鐘可同步到用戶終端測試系統(tǒng)中,實現(xiàn)共源測試;其次,RDSS入站信號產生部分功率、頻率、時延均步進可調,并可通過標準儀器進行檢核;第三,標準放大器、發(fā)天線的增益可通過計量校準,測試電纜的衰減、時延等可通過統(tǒng)一儀器進行標定;第四,RDSS入站信號產生部分發(fā)射與系統(tǒng)基準1 PPS信號指定時延的入站信號,入站接收機接收并進行測距,上報測試控制與評估分系統(tǒng),即可實現(xiàn)入站信號零值測量精度及準確度的校準;第五,RDSS入站信號產生部分發(fā)射不同功率、不同頻率的入站信號,入站接收機接收并進行觀測量解析,即可實現(xiàn)入站信號功率、頻率測量精度的校準。

下面給出利用檢核接收機對測試系統(tǒng)雙通道時差測量誤差、雙向零值和發(fā)射ERIP值等指標測量精度檢核結果。檢核接收機的雙通道時差、雙向零值和發(fā)射ERIP值通過外接通用儀器標定后,可以根據檢核要求進行精確設置,檢核結果如表1所示。

表1 測試系統(tǒng)部分指標檢核結果記錄表

從表中可以看出,被檢測試系統(tǒng)通道時差測量誤差,發(fā)射ERIP值測量結果與檢核接收機設定值之差滿足使用要求;雙向零值三次檢核結果中,最大差值為1.2 ns,超出測試系統(tǒng)≤1 ns的使用要求,被檢測試系統(tǒng)需要進行雙向零值修正,并經再次檢核合格后方可正常使用。

5 結束語

利用檢核接收機用戶對北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)用戶終端測試系統(tǒng)性能狀態(tài)進行充分監(jiān)測,保證系統(tǒng)測試結果的準確可靠。同時檢核接收機作為標準設備對測試系統(tǒng)接口協(xié)議、測試方法、評判準則、指標結果進行比對驗證,便于各類測試系統(tǒng)的技術狀態(tài)溯源到國家級的測試標準上,實現(xiàn)統(tǒng)一的測試標準,促進導航應用產業(yè)的健康有序發(fā)展。

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Calibration Method for BDS User Terminal Test System

LI Chao, ZHU Lingfeng, ZHANG Yiqing, LI Teng

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

With the wide application of BeiDou satellite navigation system(BDS), a large number of BD user terminals are in used. All kinds of test system by different manufactures providing are used to evaluate the performances of the user terminals.To address this problem, this paper provides the calibration method for various test system by a calibration receivers, and completes the evaluation of their performances. It’s easy to trace to the national testing standards and establish a unified test system. This can promote BDS application healthy and orderly development.

User terminal; test system; calibration method

2016-06-12

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.012

P228.4

1008-9268(2016)06-0059-06

李超 (1981-),男,碩士,工程師,主要從事衛(wèi)星導航用戶終端算法及終端測試技術研究。

朱陵鳳 (1983-),女,碩士,工程師,主要從事衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間同步及定軌技術研究。

張益青 (1971-),男,碩士,高級工程師,主要從事衛(wèi)星導航用戶終與測試技術研究。

李騰(1987-),男,碩士,工程師,主要從事衛(wèi)星導航用戶終端測試與標定技術研究。

聯(lián)系人：李超 E-mail: lichaochxy@163.com